基于3D EXPERIENCE 平臺的機務車輛BIM 標準化模型庫研究

李騰飛

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

模型是組成BIM[1]項目的基礎單元，描述其幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，是傳遞信息的基本載體。一根螺栓、一臺電機、一套設備甚至一座檢查庫，這些單元都可以視為從狹義到廣義的某種層級的模型[2]，以滿足不同工程階段應用的需要。合格的模型需要具有復用性、獨立性、可參變性、可擴展性及可連接性五個特征。而只有按照統(tǒng)一規(guī)則制作、統(tǒng)一分類、統(tǒng)一存儲的模型集合，才能稱之為模型庫[3-4]。創(chuàng)建模型庫可以對庫進行結構性存儲、組織、展示、統(tǒng)計分析并供用戶調用模型。

機務、車輛專業(yè)是機輛段所（國鐵機務、車輛、動車段所及城軌車輛段）運用、整備、檢修系統(tǒng)的核心專業(yè)，涉及大量的工藝設備及工藝管道。雖然在多年開展的BIM 項目中，機務、車輛專業(yè)積累了大量的模型，但之前由于缺乏標準化規(guī)則，創(chuàng)建的模型沒有統(tǒng)一規(guī)矩，僅可滿足當前項目的某些需求，并不一定按照IFC 標準創(chuàng)建模型，這就造成了盡管都是機務車輛專業(yè)人員繪制并交付的設計模型，但在模型分類、命名、表達精度、行為上卻各不相同。

基于IFC 標準[5]的模型信息表達不同于傳統(tǒng)二維圖方式表達，其不僅包含模型的點、線、面在內的所有幾何信息，而且能夠包含完整的項目信息，如材料信息、空間位置信息、相互關聯(lián)信息、生產信息、費用信息、維保信息等，構建一個可視化、信息化的全生命周期三維模型?？紤]到機務、車輛專業(yè)在工程量統(tǒng)計和全生命周期BIM 模型屬性信息應用需求，機務、車輛專業(yè)已在前期對專業(yè)涉及的工藝設備和工藝管道進行了分析和分類，并完成了機務車輛IFC 標準擴展及3D EXPERIENCE 平臺部署應用。

因此，針對機務車輛專業(yè)模型眾多、數(shù)據(jù)龐大的特點，本文創(chuàng)建機務車輛專業(yè)標準化模型庫，將所有按照IFC 標準制作的BIM 輕量化[6]模型后的模型統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一管理，解決重復創(chuàng)建、無序存儲、質量參差等問題，將有助于知識成果通過復用發(fā)揮最大價值，實現(xiàn)機務、車輛BIM 設計高效化、標準化以及BIM 模型屬性信息全生命周期標準化傳遞和共享，滿足工程建設和運維管理應用需求，避免重復勞動，提高BIM 的設計效率和設計質量，降低BIM 的實施成本。

1 IFC 標準化模型庫創(chuàng)建流程

1.1 標準化模型庫創(chuàng)建

3D EXPERIENCE 平臺（以下簡稱3DE 平臺）分為標準空間和項目空間，項目空間之間的數(shù)據(jù)不互通，項目A 中的模型不可直接復制到項目B 中使用，標準空間是一種用于存放標準件（如螺釘、螺母）的特殊空間，標準空間中的模型可引用或復制至項目中使用。基于標準空間的特性，為方便模型庫使用，將模型庫建立在標準空間。

機務、車輛專業(yè)模型庫的創(chuàng)建按照模型IFC 標準分類進行，在StandardPart_Vehicle 標準空間中創(chuàng)建一個Catalog 用于存放所有的模型，在此Catalog 下按照層級建立一系列的Chapter 用以表示各種工藝設備之間的從屬關系，例如，加工設備—車床—數(shù)控車床。按照3DE平臺部署的IFC 標準對專業(yè)工藝設備進行分類，建立的標準化模型庫如圖1 所示，這里展示三層分類。

圖1 機務、車輛專業(yè)標準化模型庫

機務、車輛專業(yè)模型庫可以涵蓋機輛段所運用、整備、檢修系統(tǒng)涉及的超4 000 項工藝設備及工藝管道，每一臺設備都有對應的IFC 標準類型，滿足設備分類統(tǒng)計的需要。

1.2 模型處理

在多年開展的BIM 項目中，機務、車輛專業(yè)積累了大量的模型文件，但是這些模型來源于不同的單位和廠家，其建模軟件、處理方法、加工方式均不同，造成模型格式混亂，再加之不同三維建模軟件之間數(shù)據(jù)傳遞時總存在信息丟失和模型破損的情況，導致項目中實際使用的模型在分類、命名、表達精度、行為上均存在差異。結合當前實際項目需求深度，結合3DE 平臺現(xiàn)實情況，總結模型標準如下：

（1）有標準的命名和配色，采用英文命名，能做到見名知意，配色盡量貼近實際。

（2）有標準的分類，每一個模型有其對應的IFC 類型，模型結構中不出現(xiàn)3DE 平臺原生物理產品和物理模型。

（3）有標準的屬性信息，模型增加代理屬性集以保證跨平臺傳遞，有各階段所需的信息。

（4）有標準的分類與編碼，通過分析編碼，也可得到模型的信息。

針對收集的專業(yè)BIM 模型，首先對其格式進行處理，最優(yōu)的情況是將其轉化為基于實體的.step 格式，然后將其導入3DE 平臺，然后經過圖2 所示流程可以將其處理為一個標準化的模型。

圖2 標準化模型處理流程

（a）對模型進行輕量化處理。有些設備模型體量巨大，含有許多當前設計階段不需要表達的細節(jié)內容，不僅導致項目瀏覽查看不順暢，也制約了向運維方向的深化應用，所以模型進入3DE 平臺的第一個步驟就是輕量化處理。目前的主要手段有部件刪減、部件減面和產品過濾。部件刪減是指刪除模型中不涉及與周圍環(huán)境的接口關系，也不影響設備的空間占位的精細部件，例如大量的螺釘、螺母、墊片等；部件減面是指刪除一些內部表面和一些碎面片，例如倒角、孔洞等；產品過濾是使用3DE 平臺Engineering IP Control 輕量化模塊，將模型中帶有的原生格式統(tǒng)一為一個3D shape，抹去原生格式對模型的影響。圖3（a）是收集的一個數(shù)控車床原始模型，圖3（b）是輕量化后的設備模型，結構樹簡化，去掉了模型的設計過程，僅保留設計結果。

圖3 數(shù)控車床的輕量化處理

（b）添加IFC 類型。為了便于對機輛段所中設備數(shù)量進行統(tǒng)計，對每一臺套設備添加其對應的IFC 類型，統(tǒng)計類型的實例化個數(shù)就可得到其設備數(shù)量，可快速得到設備數(shù)量表和工程概算金額，例如我們有3 臺普通車床和1 臺不落輪鏇床，我們便可得知這4 臺設備的概算，這便是為所有的設備增添IFC 類型的意義所在。機輛專業(yè)已經完成了在3DE 平臺中IFC 類型的布置，因此此步驟具體為新建一個具有IFC 類型的實體，并將已輕量化的模型復制過來，為其增加IFC 類型。同時，在此步驟對設備命名和配色，采用英文命名，能做到見名知意，不使用特殊字符，配色貼近設備實際顏色。圖4 為數(shù)控車床添加IFC 類型并重新標準化命名和配色后的模型。

圖4 數(shù)控車床添加IFC 類型和標準化命名

（c）添加一個用于定位模型的軸系，并將此軸系發(fā)布。為了便于處理后的模型在項目中使用時定位，此次建設標準化模型庫時要為其增加一個用于裝配的軸系，本文總結了一些推薦的軸系位置：若設備與股道相關，則將軸系添加在股道中心線，標高為軌面；若設備為放置在地面上的設備，則將軸系添加在地面的角點上，軸系的z 軸豎直向上；若設備裝配形式多樣，則將軸系添加在表面上。最后將這個軸系發(fā)布，這樣在項目使用時，不僅可以直接對模型裝配，也可以使用批量布置插件對設備按規(guī)律批量布置，提高設計效率。圖5 為數(shù)控車床添加的軸系，原點在設備底角，z 軸豎直向上，x、y 軸平行設備底邊。

圖5 添加定位軸系并發(fā)布

（d）給模型添加屬性集（包括編碼）。對每一個模型都可添加其對應的屬性集，屬性集的內容相對靈活，既可以添加設備通用的信息，例如生產、制造、資產、運維等全生命周期的屬性，也可以添加其專用的屬性信息，比如設備具體的加工精度、進給速度、主軸轉速等。在這次標準化模型庫建設時，將可添加的屬性全部添加，將來按照設計階段和模型粒度賦予設備相應的信息深度，即保留相應的屬性集。圖6 為數(shù)控車床的所有屬性集，不僅包括設備基本參數(shù)信息，也具備生產、制造、資產、運維信息。

圖3-圖6 以一個數(shù)控車床為例，在這四個步驟之后可以得到一個具有標準命名、標準IFC 類型、具備全部屬性的標準化模型（包括設備編碼）。這樣的模型可以滿足現(xiàn)階段BIM 項目的需要，無論是利用BIM+GIS平臺進行可視化展示，還是利用數(shù)字孿生對機輛段所進行運維管理。

1.3 模型入庫

對于少量的模型確實可以在標準化之后直接在項目中使用，但是3DE 平臺項目空間數(shù)據(jù)不可互通，導致同一模型經常需要導出導入操作才可在新項目中使用；同時，隨著項目的增多，模型數(shù)量也在增加，經常丟失之前標準化的模型，導致返工、低效；此外，往往搜索同一個關鍵字會存在不同項目空間中的多個模型，管理起來造成混亂。因此，標準化的模型需要入庫統(tǒng)一管理。

標準化模型庫的創(chuàng)建借助于3DE 平臺中的Catalog（目錄），與實體書類似，目錄下分不同的章節(jié)（Chapter），章節(jié)下又可有不同的小節(jié)，用一個小節(jié)表示一種IFC 類型（例如車床），就可按照IFC 類型分類存放標準化的模型。

在模型標準化處理之后，打開模型庫的Catalog，找到其IFC 類型對應的Chapter，選擇“在Chapter 中插入存在的模型”命令，選擇標準化的模型，便可將模型存入模型庫中。這樣一來，不僅可以利用模型的信息檢索標準化模型，也可通過在Catalog 中分級查找，找到設備模型；此外，同類模型在同一Chapter 中，幾種參數(shù)不同的設備一起存放，可以做到一目了然，方便使用和管理模型。圖7 為現(xiàn)階段部分標準化模型庫。

圖7 機務車輛標準化模型庫（部分）

2 模型庫應用

3DE 平臺項目空間中的模型不互通，在項目A 中使用的模型不可以直接復制到其他項目中，標準空間的模型可以在項目空間中直接使用。部署在標準空間的標準化模型庫，庫中的模型可在項目中直接引用。在項目空間中插入標準化模型庫中的模型，將其發(fā)布的軸系裝配到對應位置的軸系上，就可完成模型的裝配和安裝，這就是標準化模型庫最直接的應用，例如不落輪鏇床的裝配、動車組的裝配。

除此之外，機務車輛專業(yè)往往需要批量裝配有規(guī)律的一系列模型，例如綜合支吊架布置、軌道橋的布置、洗車機的布置等，此時借助開發(fā)的設備設施批量布置工具包，利用一個第三方服務器，將標準空間中的模型先傳入第三方服務器，再導入項目空間，就可用工具包批量布置模型，圖8 是根據(jù)洗刷車型不同，利用批量布置工具包布置的兩種不同參數(shù)的60 m 洗車機。通過一個批量布置工具包，同樣溝通了標準空間和項目空間，使得標準空間中模型庫中的模型在具體的項目空間中使用。這樣一來，我們可以進入標準空間增加、刪減模型，維護標準化模型庫，而在具體項目時僅是調用模型庫中的數(shù)據(jù)，一個或批量地安裝在項目空間中，通過對標準空間中一個模型的維護，可以在多個項目中多次調用和使用，提高設計效率。

圖8 配置不同的兩種60 m 洗車機

3 結束語

本文基于3DE 平臺創(chuàng)建了機務車輛專業(yè)標準化模型庫。機務車輛專業(yè)涉及的工藝設備和工藝管道數(shù)目眾多、分類復雜，因此有必要建立一個模型庫來統(tǒng)一分類和管理這些模型。本文總結了適應現(xiàn)階段BIM 應用的模型標準化處理流程，具體包括模型輕量化、添加IFC 類型和發(fā)布軸系、添加屬性信息，可以得到符合IFC 標準的模型。本文簡單介紹了標準化模型的入庫管理和具體應用。創(chuàng)建標準化模型庫不僅方便存儲和管理機務車輛專業(yè)積累的模型和屬性信息數(shù)據(jù)，同時在生產項目中可直接調用模型庫中的模型和數(shù)據(jù)，提高設計效率，降低設計門檻。